PCM編譯碼器設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用

1、PCM 編譯碼器設(shè)計(jì)及應(yīng)用的設(shè)計(jì)摘要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，通信原理技術(shù)已廣泛運(yùn)用于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空航天等眾多部門，極大的提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了人們的勞動(dòng)環(huán)境，豐富和 提高了人民的生活水平。在今天的社會(huì)生活中，自動(dòng)化裝置已經(jīng)無(wú)所不在，為人類文明 進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。通信原理系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)我們學(xué)過(guò)知識(shí)扎實(shí)程度的好機(jī) 會(huì)，也讓我們的知識(shí)體系更加系統(tǒng)，更加完善。在不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)的基礎(chǔ)上得到了動(dòng)手能力的訓(xùn)練，啟發(fā)創(chuàng)新思維及獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試能力。關(guān)鍵詞：PCM 編譯碼器；simulink。抽樣；量化；脈沖 引言隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)

2、得到了廣泛的應(yīng)用?；谛盘?hào)的用于 通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真軟件 simulisimuli nknk 具有強(qiáng)大的功能，可以滿足從底層到高層不同層次的 設(shè)計(jì)、分析使用，形成多層系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔明了，便于完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)。simulisimuli nknk 具有良好的交互界面，通過(guò)分析窗口和示波器模擬等方法，提供了一個(gè)可 視的仿真過(guò)程，不僅在工程上得到應(yīng)用，在教案領(lǐng)域也得到認(rèn)可，尤其在信號(hào)分析、通 信系統(tǒng)等領(lǐng)域。其可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬、數(shù)字及數(shù)模混合電路及各種速率系統(tǒng)。本文主要闡述了如何利用simulinksimulink 實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過(guò)模塊分層實(shí)現(xiàn)，模塊主要由

3、PCMPCM 編碼模塊、PCMPCM 譯碼模塊、及邏輯時(shí)鐘控制信號(hào)構(gòu)成。通過(guò)仿真設(shè)計(jì) 電路，分析電路仿真結(jié)果，為最終硬件實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。1、系統(tǒng)介紹PCMPCM 即脈沖編碼調(diào)制，在通信系統(tǒng)中完成將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化功能。PCMPCM 的實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)步驟完成：抽樣、量化、編碼。分別完成時(shí)間上離散、幅度上離散、及量化信 號(hào)的二進(jìn)制表示。根據(jù) CCITTCCITT 的建議，為改善小信號(hào)量化性能，采用壓擴(kuò)非均勻量化, 有兩種建議方式，分別為 A A律和卩律方式，我國(guó)采用了 A A 律方式，由于 A A 律壓縮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，常使用 1313 折線法編碼,采用非均勻量化 PCMPCM 編碼示意圖見圖 1 1

4、2.1 抽樣2、PCM 編碼中抽樣、H 化及編碼的原理解調(diào)圖 1-1 PCM 原理框圖所謂抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散 的信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢 復(fù)原模擬信號(hào)。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。2.2 量化從數(shù)學(xué)上來(lái)看，量化就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無(wú)限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限數(shù)集合。如圖 1-21-2 所示，量化器 Q Q 輸出 L L 個(gè)量化值yk，k=1k=1，2 2，3 3，L L。yk常稱為重建電平或量化電平。當(dāng)量化器輸入信號(hào)幅度X落在Xk與Xk 1之間時(shí)，量化器輸出電平為yk。這個(gè)量

5、化過(guò)程可以表達(dá)為：y y =Q(x)=Q(x)二 Q Q兀：x x 乞 X Xk / =y yk, ,k k = = 1,2,3,|,L1,2,3,|,L這里Xk稱為分層電平或判決閾值。通常H二Xk 1- Xk稱為量化間隔。圖 1-2 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化分為均勻量化和非均勻量化。由于均勻量化存在的主要缺點(diǎn)是：無(wú) 論抽樣值大小如何，量化噪聲的均方根值都固定不變。因此，當(dāng)信號(hào)m(t)較小時(shí)，則信號(hào)量化噪聲功率比也就很小，這樣，對(duì)于弱信號(hào)時(shí)的量化信噪比就難以達(dá)到給定的要求。通常，把滿足信噪比要求的輸入信號(hào)取值范圍定義為動(dòng)態(tài)范圍，可見，均勻量化時(shí)的信 號(hào)動(dòng)態(tài)范圍將受到較大的限制。為了克服這個(gè)

6、缺點(diǎn)，實(shí)際中，往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間，其 量化間隔v也小；反之，量化間隔就大。它與均勻量化相比，有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首 先，當(dāng)輸入量化器的信號(hào)具有非均勻分布的概率密度(實(shí)際中常常是這樣)時(shí)，非均勻 量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比；其次，非均勻量化時(shí)，量化 噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)抽樣值成比例。因此量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大 致相同，即改善了小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。實(shí)際中， 非均勻量化的實(shí)際方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。 通常使 用的壓縮器中，大多采用對(duì)數(shù)式壓縮。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是壓縮律

7、和 A A 壓縮 律。美國(guó)采用壓縮律，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用 A A 壓縮律，因此，PCMPCM 編碼方式采用的也 是 A A 壓縮律。所謂 A A 壓縮律也就是壓縮器具有如下特性的壓縮律:Ax門X, ”1y,0：X _1 In AA1 l n Ax 1 .y, X : 11 In A AA A 律壓擴(kuò)特性是連續(xù)曲線，A A 值不同壓擴(kuò)特性亦不同，在電路上實(shí)現(xiàn)這樣的函數(shù)規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜的。實(shí)際中，往往都采用近似于A A 律函數(shù)規(guī)律的 1313 折線（A=87.6A=87.6）的壓擴(kuò)特 性。這樣，它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn)，又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)64中所用到的 PCMPCM 編碼正是

8、采用這種壓擴(kuò)特性來(lái)進(jìn)行編碼的。圖1-31-3 示出了這種壓擴(kuò)特 性。圖 1-3 13 折線 表 1-1 列出了 13 折線時(shí)的x值與計(jì)算x值的比較。表 1-1y0182838485868781x01128160.6130.6115.417.7913.9311.981按折線 分段時(shí)的x011281641321161814121段落12345678斜率161684211214表 1 1 中第二行的x值是根據(jù)A=87.6時(shí)計(jì)算得到的，第三行的x值是 1313 折線分段時(shí)的 值?？梢?，1313 折線各段落的分界點(diǎn)與A =87.6曲線十分逼近，同時(shí)x按 2 2 的幕次分割有利 于數(shù)字化。2.3 編碼所謂

9、編碼就是把量化后的信號(hào)變換成代碼，其相反的過(guò)程稱為譯碼。當(dāng)然，這里的 編碼和譯碼與差錯(cuò)控制編碼和譯碼是完全不同的，前者是屬于信源編碼的范疇。在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來(lái)分，大致可分為兩大類：低速編碼和高速 編碼。通信中一般都采用第二類。編碼器的種類大體上可以歸結(jié)為三類：逐次比較型、 折疊級(jí)聯(lián)型、混合型。在逐次比較型編碼方式中，無(wú)論采用幾位碼，一般均按極性碼、 段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結(jié)合1313 折線的量化來(lái)加以說(shuō)明。在 1313 折線法中，無(wú)論輸入信號(hào)是正是負(fù)，均按8 8 段折線（8 8 個(gè)段落）進(jìn)行編碼。若用 8 8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示輸入信號(hào)的抽樣量化值，其中用第一位表示量

10、化值的極性，其余 七位（第二位至第八位）則表示抽樣量化值的絕對(duì)大小。具體的做法是：用第二至第四 位表示段落碼，它的 8 8 種可能狀態(tài)來(lái)分別代表 8 8 個(gè)段落的起點(diǎn)電平。其它四位表示段內(nèi) 碼，它的 1616 種可能狀態(tài)來(lái)分別代表每一段落的1616 個(gè)均勻劃分的量化級(jí)。這樣處理的結(jié)果，8 8 個(gè)段落被劃分成 2 27二 128128 個(gè)量化級(jí)。段落碼和 8 8 個(gè)段落之間的關(guān)系如表 2 2 所示；段 內(nèi)碼與 1616 個(gè)量化級(jí)之間的關(guān)系見表 1-31-3。段落序號(hào)段落碼81117110610151004011301020011000量化級(jí)段內(nèi)碼1511111411101311011211001

11、1101110101091001810007011160110501014010030011200101000100000表 1-2 段落碼 表 1-3 段內(nèi)碼3、基于 simulink 的 PCM 編碼和解碼的仿真圖 1-4Simuli nk PCM 編碼和解碼組成的框圖3.1 仿真框圖中各部分的簡(jiǎn)介1 1信源在通信系統(tǒng)中假定我們僅用來(lái)傳送語(yǔ)音信號(hào)，因語(yǔ)音信號(hào)的頻帶范圍為 300Hz23400Hz300Hz23400Hz , , 為了更好的體現(xiàn)人的語(yǔ)音的頻率的變化以及觀察所采用的系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音頻帶范圍內(nèi)的信號(hào) 恢復(fù)程度,我們采用了ChripChrip 函數(shù)。ChripChrip 函數(shù)是其頻率時(shí)間

12、線性增長(zhǎng)的函數(shù),在雷達(dá)系 統(tǒng)中這樣的信號(hào)稱為線性調(diào)頻信號(hào)，并用專用詞匯 ChripChrip 表示。2.2. 模擬低通濾波器按照采樣定理的要求選擇采樣頻率，即 Qs s 2 2Q c c , ,但考慮到信號(hào)的頻譜不是銳止的， 最咼截止頻率以上還有較小的咼頻分量 ，為此可選 Q s s = = (324)(324) Q c c。另外可以在米樣之 前加一保護(hù)性的低通濾波器 , , 濾去高于 Qs/s/ 2 2 的一些無(wú)用的高頻分量 , , 以及其他的一些雜 散信號(hào), , 因此在采樣前加入一低通濾波器。3.3. 矩形脈沖序列由于產(chǎn)生和傳輸單位沖激函數(shù)難以實(shí)現(xiàn) , , 因此實(shí)際中通常采用矩形脈沖抽樣

13、, , 根據(jù) CCITTCCITT 標(biāo)準(zhǔn),留一定的防衛(wèi)帶則采樣頻率 f f s s = = 8000Hz8000Hz , , T T = = 1/80001/8000 = = 125125 卩 s s 用占空 比為 5050 % %的矩形脈沖序列。4.4. 相乘器通過(guò)相乘器使語(yǔ)音信號(hào)與矩形脈沖相乘從而獲得時(shí)域離散信號(hào), , 此即信號(hào)的抽樣過(guò)程。5A5A 率壓縮由于實(shí)現(xiàn)困難 , , 因此工程上通常用十三折曲線來(lái)近似地表示 A A 律曲線。6.6. 均勻量化和編碼根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍40dB40dB 的情況下信噪比不應(yīng)低于 26dB26dB。 因此用 8 8 位量化器, ,量化間

14、隔為 125125 卩 s s。7.7. 編碼器編碼器是將量化后信號(hào)編成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。8.8. 解碼器將從信道接受到信息進(jìn)行解碼9A9A 率解壓對(duì)解碼后的信號(hào)量化值進(jìn)行擴(kuò)展 , , 得到重建信號(hào)。10.10. 零階保持零階保持完成將重建信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。11.11. 浮點(diǎn)示波器將產(chǎn)生的信號(hào)波形顯示出來(lái)。在本實(shí)驗(yàn)中將原信號(hào)波形與恢復(fù)后的信號(hào)波形同時(shí)顯示 在同一濾波器中 , , 這樣可以直觀的比較信號(hào)的恢復(fù)程度3.2 各部分參數(shù)設(shè)置圖 1-5 Chirp Sig nal的參數(shù)設(shè)置圖 1-6 Pulse Gen erator的參數(shù)設(shè)置3.3 示波器的顯示波形回兇Tims offset: 0圖

15、 1-7 Scope 的顯示波形（編碼后輸出波形）圖 1-8 Floati ng Scope 顯示波形（仿真結(jié)果）4.誤差產(chǎn)生原因分析由于實(shí)際取樣脈沖不可能是理想的沖激函數(shù)而引入的孔徑失真。由于無(wú)窮內(nèi)插公式和許 多咼頻分量而混入了插入噪聲。以及因解碼端再生取樣脈沖時(shí)而導(dǎo)致的定時(shí)抖動(dòng)失真等。表現(xiàn) 在恢復(fù)的圖像成階梯形 , , 而不圓滑。結(jié)束語(yǔ)這次為時(shí)兩周的課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，讓我感覺(jué)緊張而忙碌，不過(guò)我感覺(jué)還是收獲了很 多，我去圖書館查閱資料，去網(wǎng)上搜索相關(guān)材料，請(qǐng)教老師、同學(xué)，并且把教科書也好 好的溫習(xí)了一遍，同時(shí)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們更好地鞏固和加深對(duì)了PCMPCM 脈沖編碼調(diào)制原理的進(jìn)一步理解。在本次設(shè)計(jì)中，使我印象最深的是要要用 simulinksimulink 對(duì)系統(tǒng)建模和仿真，必須要有耐 心，要有堅(jiān)持的毅力。在整個(gè)建模和仿真過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的是了解各個(gè)模塊的功 能及其工作特點(diǎn)。 在這次的課程設(shè)計(jì)中感受到了一定的收獲，鞏固了這學(xué)期所學(xué)知識(shí)，對(duì)simulinksimulink 有了進(jìn)一步的了解。學(xué)會(huì)了如何查找資料，養(yǎng)成了獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)1通信原理 ,樊昌信等編著 . 國(guó)防工業(yè)出版社，2通信原理實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì) ,達(dá)新宇 .北京郵電大